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On-orbit absolute radiometric calibration for optical remote sensing satellites： Progress and trends
Abstract：在轨绝对辐射定标是光学遥感卫星数据定量化应用的前提。载荷上天后，由于星上定标基准传递链路复杂，实现难度大，而以地面目标测量为参照基准的场地定标受尺度效应、大气条件、环境变化等不确定因素影响，时至今日，遥感载荷在轨定标的精准性、一致性、可追溯性问题，仍属亟待解决的国际难题。对此瓶颈问题的突破在于利用“定标星”搭载空间辐射基准载荷，通过与其他卫星载荷同时观测目标场景的方式，将高精准的空间辐射测量基准从天基标准辐射定标系统向光学遥感业务卫星传递，并准确核算传递路径中各环节的不确定因素，保证不同遥感卫星数据产品质量的高一致、可追溯。本文从光学遥感在轨辐射定标技术需求出发，回顾了星上定标、场地定标、交叉定标、月球定标等光学遥感卫星主要在轨辐射定标方法的发展历程及技术挑战，介绍了当前国际前沿的空间辐射测量基准传递定标技术，其将可溯源至SI的辐射基准源引入少量基准卫星，通过同时观测相同地月目标场景的交叉定标方式将统一的高精度空间辐射测量基准传递至多系列卫星，在大幅度提升定标整体水平的同时，保证多源卫星数据质量的高一致性与高稳定性。Keywords：光学遥感;辐射定标;基准传递;可追溯性3894|9770|20<HTML><L-PDF> <Enhanced-PDF> <Meta-XML>Updated：2023-06-29
Abstract：遥感产品的真实性检验研究是当前遥感领域研究的热点和难点。真实性检验基础设施的建设是实现遥感产品真实性检验的关键环节。近年来，中国先后启动国家民用空间基础设施真实性检验场网（简称空基场网）和高分专项国家真实性检验场站网（简称高分站网）的建设，形成由60余个站点组成，具备40余种遥感产品检验能力的场网体系。本文在介绍了国内外已有场网的基础上，详细介绍了空基场网和高分站网的建设目标、站点组成和测量产品。结合当前空基场网和高分站网的建设现状，提出了建设中国真实性检验的思路，探讨了建设真实性检验站网的技术体系，从理论研究、标准规范制定、场网建设和产品验证评价4个方面进行分析，为中国今后真实性检验站网建设和遥感产品的真实性检验提供参考。Keywords：遥感;真实性检验;基础设施;空基场网;高分站网;技术体系1682|2807|3<HTML><L-PDF> <Enhanced-PDF> <Meta-XML>Updated：2023-06-29
Review
Abstract：基于伪不变定标场（PICS）的大气层顶反射率（TOA）模型直接计算卫星过境入瞳辐亮度而无需地面测量，为高频次在轨辐射定标及长期性能监测提供了有效技术手段。然而由于严格的空间均匀性、时间稳定性和大气条件要求，现有的PICS定标场均分布在境外而难以满足多在境内成像的国产陆地卫星等定标需求。借鉴PICS的定标思路，本文开展了放宽场地、大气稳定性约束条件的中国陆表稳定目标TOA反射率模型构建方法研究。以中国西北区域的格尔木沙地稳定目标为例，将约束条件放宽至场地面积>3 km×3 km、云覆盖率<60%、空间均匀性<3%、时间稳定性<10%（11年），利用11年的Aqua/MODIS与ECMWF再分析资料分析观测几何及大气参数对TOA反射率的规律性影响，引入地表/大气辐射传输模型中定义的散射角，进一步表征TOA反射率模型中地表—大气间多次散射贡献，构建了一种适用于中国陆表稳定目标的TOA反射率模型。该模型系统偏差小于-0.10%，均方根误差小于0.0084；将Sentinel-2A/B MSI和Landsat 8 OLI的TOA反射率与本文模型计算TOA反射率进行比较，模型计算TOA反射率与Sentinel2A/B MSI观测TOA反射率的平均相对误差小于1.44%，标准差小于1.59%；与Landsat 8 OLI观测TOA反射率的平均相对误差小于1.77%，标准差小于2.11%。验证结果表明本文提出模型的计算值与卫星观测值具有较高的一致性和稳定性，能够应用于其他太阳反射谱段卫星载荷的在轨辐射定标和长期辐射特性监测。Keywords：陆表稳定目标;辐射定标;伪不变定标场;TOA反射率;观测几何;ECMWF1435|2631|2<HTML><L-PDF> <Enhanced-PDF> <Meta-XML>Updated：2023-06-29
Abstract：针对星间交叉定标和地面固定场地交叉定标两种辐射定标方案，利用卫星的轨道参数建立了交叉定标轨道模型，提出了定标交叉频次的计算方法。研究了各轨道参数对交叉频次的影响程度，经过分析限定了轨道高度、升交点赤经、纬度幅角是影响交叉频次的主要因素。提出了基于遗传算法的服务于多目标载荷轨道的基准载荷轨道优化方法，通过选择合适的适应度函数，优化得到的基准载荷轨道相较于未优化前，单位仿真周期内总体交叉频次和对各目标载荷的交叉均匀度都有明显改善。仿真分析结果有助于开展服务多目标载荷的基准载荷轨道优化设计。Keywords：遥感卫星;轨道预报;基准载荷;交叉定标;轨道优化713|1634|0<HTML><L-PDF> <Enhanced-PDF> <Meta-XML>Updated：2023-06-29
Abstract：海洋一号C/D卫星（HY-1C/D）海岸带成像仪CZI（Coastal Zone Imager）搭载有2个相机4片CCD，幅宽为950 km，在0级原始影中存在渐晕和片间色差等辐射问题。本文针对海岸带成像仪载荷结构特点，提出了一种针对多片原始CCD影像片间自适应均衡的相对辐射校正方法。首先，采用在轨统计方法对单片CCD影像进行片内辐射校正，明显改善了渐晕问题。然后，通过大视场虚拟重成像方法对多片CCD影像进行高精度几何拼接，在此基础上，统计重叠区域色彩信息。最后，根据相邻片左右重叠区在片间色彩校正前后具有色彩一致性的约束，实现全局多片CCD影像色彩参数解算和片间影像均衡校正。从实验结果来看，经过全视场相对辐射校正处理后，平均行标准差、广义噪声和条纹噪声均优于路径传递法，相对辐射质量优于3%，有效提高了海洋一号C/D卫星海岸带成像仪影像相对辐射质量。Keywords：HY-1C/D;海岸带成像仪;在轨统计法;色彩一致性;片间自适应均衡;相对辐射质量1297|5124|2<HTML><L-PDF> <Enhanced-PDF> <Meta-XML>Updated：2023-06-29
Abstract：以地面稳定目标为参考的网络化定标技术已经成为国际定标领域的研究热点。它利用多次观测的方式减小独立测量不确定性，不仅可极大提升定标校验频次，还可有效提高总体定标精度。基于此，本文利用长时间序列Aqua/MODIS和Landsat 8/TIRS热红外数据，对国际卫星对地观测委员会定标与真实性检验组6个伪不变定标场、敦煌定标场以及格尔木大灶火地区的地表热辐射及大气特性进行了系统性分析，建立了热红外陆表稳定目标甄选标准，即空间亮温标准差低于0.3 K，发射率时间变异系数低于2%，旨在甄选适用于热红外载荷网络化定标的陆表参考目标，以支持热红外载荷在轨辐射定标精度的提升。结果表明：在1 km空间尺度下满足甄选标准的区域分别为：Libya1_1 km、Libya4_1 km、Algeria3_1 km、Algeria5_1 km、Mauritania1_1 km、Mauritania2_1 km、敦煌_1 km及格尔木_1 km，其中，Libya4_1 km面积最大，为75 km
Abstract：卫星红外载荷辐射定标是定量化应用的重要前提，选择合适的辐射定标参考是实现卫星传感器高频次、高精度定标，进而维持全生命周期观测稳定性的保障。再分析资料能够提供全球覆盖、一定空间和时间分辨率的地表及大气数据，已在气候应用中展现了重要价值，其作为辐射定标参考的适用性值得研究。本文以欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料为研究对象，首先利用Argo浮标观测海表温度（SST）和Terra-MODIS L2级SST日产品，对ERA5数据集的海洋表皮温度参数（SSTskin）进行验证；其次利用MODIS观测星上亮温值，对使用ERA5 SSTskin和大气廓线数据模拟得到星上亮温值进行验证。结果表明，ERA5 SSTskin与Argo SST的平均偏差在-0.31 K以内，与MODIS SST产品的平均偏差在-0.38 K以内，且与Argo SST的偏差在时间和空间上更为稳定；辐射传输计算结果显示，与星上观测亮温的平均偏差也在-0.38 K以内，且偏差随时间和纬度变化波动较小。最后，本文还探究了风速、大气水汽柱总量、海浪平均高度等气象影响因素与海表温度偏差和星上亮温偏差的相关性，整体看来，在6—16 m/s中等风速，低于7.0 g/cm2水汽柱总量以及0.6—3 m海浪平均高度的条件下，海表温度偏差以及星上亮温偏差较低。研究结果可为再分析资料用于不依赖实测数据的卫星红外载荷绝对辐射定标提供有效支撑。Keywords：再分析资料;海表面温度;星上亮温;辐射定标参考1490|3076|3<HTML><L-PDF> <Enhanced-PDF> <Meta-XML>Updated：2023-06-29
Abstract：外场辐射测量是光学遥感研究的重要信息来源，为了保证外场测量数据的准确性，外场设备必须进行量值溯源。本文旨在开展外场光谱测量设备的现场量值传递方法研究，将外场测量设备的辐射测量水平溯源至统一基准，以此来保证外场测量时设备获取数据精准性以及数据质量一致性。通过分析实验室和外场光源差异、测量环境差异等因素对辐射量值准确性的影响，建立了杂散光修正模型和环境温度修正模型，构建了完整的从实验室到外场的量值传递链路，采用对称放置和互换测量的方法将光谱辐射量值从实验室国家基准有效传递至外场观测设备，实现了实验室到外场380—2400 nm波长的光谱辐射量值传递。进一步地，依据不确定度传播律，分析了可见光短波红外光谱辐射计现场量值传递的不确定度，最终实现量传光谱仪测量不确定度1.7%—2.3%（k=1）和外场观测设备定标不确定度1.9%—2.5%（k=1）。本文对于量传光谱仪及现场量值传递的不确定度分析，有助于今后不同外场测量设备间的交叉验证，保证多场地基验证试验的测量一致性。Keywords：现场量值传递;杂散光修正模型;温度修正模型;互换测量;不确定度969|1948|0<HTML><L-PDF> <Enhanced-PDF> <Meta-XML>Updated：2023-06-29
Abstract：卫星遥感载荷在轨辐射定标需要高稳定、高可靠、可追溯的辐射定标源支持。将辐射基准搬至空间平台，利用同步对地观测的方式将基准传递至卫星载荷，已成为未来提升在轨辐射定标精度的可行方式之一。临近空间高度上可获得与卫星相接近的观测，同时，以高空科学气球为代表的临近空间浮空器还具有长时区域驻空、可回收等平台优势，也是空间辐射基准可选择的搭载平台之一。本文介绍了将高空科学气球作为平台搭载辐射参考载荷的系统设计，以及在青海大柴旦地区开展的临近空间光学载荷辐射定标飞行试验情况。结合试验获取的临空平台位置姿态数据、观测辐射亮度数据，分析了临近空间高空科学气球平台及辐亮度计的工作稳定性，给出了在临近空间开展卫星光学载荷定标的一般性方法，并对定标不确定度进行了分析，得到气球过境均匀区和山地区辐亮度观测的不确定度分别为3.8%—4.3%和5.0%—6.8%。与MODIS、GF-6\WFI同步观测数据比对结果也一定程度上证实了不确定度估算的可靠性。本次基于临近空间高空科学气球的卫星光学载荷辐射定标试验探索了高空科学气球作为空间辐射基准搭载平台的可行性，为进一步发展基于临近空间的辐射基准传递定标系统积累了经验。Keywords：遥感;临近空间;高空科学气球;辐射定标;外场试验1319|2476|1<HTML><L-PDF> <Enhanced-PDF> <Meta-XML>Updated：2023-06-29
On-orbit Calibration Techniques and Methods
Abstract：针对2019年11月发射的首颗民用亚米级高分辨率立体测绘卫星高分七号的影像数据特点，2020年9月在内蒙古包头高分辨率遥感综合定标场开展了卫星在轨辐射定标试验。利用包头场固定辐射灰阶靶标和AERONET AOE-Baotou站点同步观测反演的大气气溶胶物理及光学特性参数，基于反射率基法对高分七号卫星传感器进行了在轨场地绝对辐射定标，获取了卫星在轨辐射定标系数，实现了传感器全动态范围内的高精度辐射定标。同时基于包头场均匀沙地的自动观测数据对辐射定标系数进行了精度验证。试验结果显示，高分七号卫星自发射以来立体测绘相机的辐射性能稳定，相机各波段影像DN值与表观辐射亮度的线性相关系数优于99%。通过误差分析可知，高分七号卫星包头场辐射定标的不确定度优于5%，获取的定标系数精确可靠，获取的辐射定标系数可用于地物参数的反演，对实现我国国产立体测绘卫星数据定量化应用、提高定量遥感科研水平都具有重要意义。Keywords：遥感;辐射定标;表观辐亮度;反射率基法;包头场;高分七号卫星2838|2123|2<HTML><L-PDF> <Enhanced-PDF> <Meta-XML>Updated：2023-06-29
Abstract：高分四号（GF-4）是中国首颗高分辨率静止轨道光学遥感卫星，搭载了一台可见/中波红外凝视相机，由于缺少星上定标系统导致无法提供高频次的星上辐射定标系数。为了更好的实现GF-4/PMS传感器辐射性能监测和数据定量化应用，本文选择了巴丹吉林沙漠南端均匀沙地，利用MODIS作为参考传感器对GF-4/PMS可见近红外波段进行交叉定标。为尽量减少地表不均匀性造成的交叉定标误差，使用较高分辨率的影像（Landsat 8/OLI）搜索巴丹吉林沙漠地区的均匀区域，确定为交叉定标试验区。为进一步减少遥感器成像角度和大气变化的影响，进行了MODIS成像角与GF-4成像角角度差约束（小于20°）、成像时刻约束（小于2 h）、云和成像质量问题，共选择2016年—2018年有效图像对13组，通过利用MODTRAN模拟计算二者光谱匹配因子进而实现交叉定标系数计算。结果表明：（1） 本文计算的辐射定标系数在朗伯体假定和Ross-Li模型假定情况下具有较高一致性，忽略BRDF效应情况造成的计算误差在0.8%—4%，定标结果的不确定度在7.4%以内；（2） 2016年至2018年GF-4/PMS遥感器辐射性能呈现缓慢下降特征，年衰减率小于1%。本文的方法可以有效地提高GF-4/PMS的辐射定标频率和定标精度，实现对GF-4/PMS传感器整个生命周期的辐射性能监测。Keywords：遥感;交叉定标;GF-4/PMS;MODIS;不确定性分析1338|2556|3<HTML><L-PDF> <Enhanced-PDF> <Meta-XML>Updated：2023-06-29
Abstract：SMAP和SMOS卫星均能提供L波段被动微波亮度温度观测数据，能够获取海冰厚度、海冰密集度和冰面积雪厚度等参数，在北极海冰监测中具有重要作用。本文以北极海洋区域为研究区域，选取2015年—2020年SMAP L1B和SMOS L1C大气层顶表观亮度温度数据，研究SMAP固定入射角为40°的亮度温度和SMOS入射角为37.5°—42.5°亮度温度均值之间的一致性，并分析了极化、海冰类型、季节对一致性的影响，以SMAP亮度温度为基准，采用线性公式逐月对SMOS数据进行定标并得到各月份交叉定标的斜率和截距，并对定标精度进行评估。研究结果表明：（1）SMAP亮度温度整体上低于SMOS亮度温度，水平和垂直极化分别低2.0—3.0 K和3.0— 4.5 K，均方根误差分别为4.5—6.0 K和5.0—6.0 K；在冬季，多年冰区域的偏差和均方根误差最小，一年冰次之，开阔水域最大；在夏季，海冰的偏差和均方根误差与开阔水域相近。（2）交叉定标的斜率和截距具有明显的季节特征，且不同月份定标系数的年际变化较小，可以根据月份获取稳定的定标系数。（3）定标后SMOS的亮度温度与SMAP的亮度温度具有较好的一致性，水平和垂直极化均方根误差分别为4.4 K和3.8 K，较定标前显著下降；不同海冰类型的定标精度差异较大，多年冰定标精度最高，水平和垂直极化均方根误差分别为2.4 K和1.9 K，一年冰定标精度相对较低，水平和垂直极化均方根误差分别为4.5 K和3.9 K，并且海冰生长末期（1—4月）定标精度高于海冰生长初期（10—12月）。本文的结果可以用于SMAP和SMOS数据的交叉定标，获取长时间序列、辐射性能一致的亮度温度数据，用于北极海冰参数及其变化趋势的监测。Keywords：遥感;SMAP;SMOS;亮度温度;一致性;交叉定标1381|2336|0<HTML><L-PDF> <Enhanced-PDF> <Meta-XML>Updated：2023-06-29
Abstract：高分七号卫星是中国第一颗搭载全波形激光测高仪的对地观测卫星，可满足立体测绘的需求。本文为了实现国内第一颗星载大光斑全波形激光测高仪数据高精度自主处理的要求，提出了高分七号星载激光定位和检校验证方法。首先，构建了高分七号卫星激光测高仪的严密几何定位模型，其次，使用了移动重心和波形分解的峰值提取法，然后实现了基于地形匹配与红外探测器结合的激光测高仪指向角标定，最后，建立了SRTM高程验证、湖面高程验证和野外定标场验证结合的激光测高仪综合高程验证方法。经验证激光测高数据在平地的测高精度优于0.15 m，激光器1指向角误差约为0.15″，激光器2指向角误差约为0.38″。结果表明本文提出的高分七号星载激光定位方法定位精度高，可以满足后续高分七号数据科学研究和大规模业务化应用的要求。Keywords：高分七号;激光测高仪;严密几何模型;几何检校;精度验证1618|1829|2<HTML><L-PDF> <Enhanced-PDF> <Meta-XML>Updated：2023-06-29
Abstract：高精度的农田蒸散发（ET）对于田间尺度精准的水分平衡量化和水分亏缺研究具有重要意义，对农业精准灌溉和农田水分利用效率提高具有实用价值。本研究利用全球共计28个农田站点的涡动相关系统（EC）通量观测数据，对500 m空间分辨率8 d时间分辨率的MOD16和PML-V2两种遥感蒸散发产品，进行了对比分析与精度评估。评估结果表明，PML-V2 ET产品与EC观测ET相比，均方根误差（RMSE）变化范围为3.3—22.4 mm/8 d，平均偏差（bias）变化范围为-15.98—13.27 mm/8 d；MOD16 ET产品与EC观测ET相比，RMSE变化范围为3.81—21.47 mm/8 d，bias变化范围为-16.42—15.05 mm/8 d。整体而言，两种产品精度相当，MOD16产品低估8 d ET（bias：-2.31 mm/8 d，R2：0.452，RMSE：8.82 mm/8 d），PML-V2产品略高估8 d ET（bias：0.51 mm/8 d，R2：0.455，RMSE：8.81 mm/8 d）；PML-V2产品在18个站点（64%）上表现更优，但是部分站点上MOD16产品对时序变化细节（如到达波峰的季节、年中的下降/上升趋势）的刻画优于PML-V2产品；PML-V2产品未能捕捉到冬小麦和夏玉米轮种而引起的ET年中先下降后上升的变化趋势，而MOD16产品虽然成功捕捉到ET时序曲线上冬小麦和夏玉米两种作物各自生长期内的波峰，但仍较大程度上低估了冬小麦ET（如栾城站点和禹城站点）；另外，MOD16产品和PML-V2产品均严重低估了水稻ET（如US-Twt站点）。本研究可为农田蒸散发算法发展及其精度验证提供参考。Keywords：遥感;MOD16产品;PML-V2产品;农田蒸散发;产品验证1517|2139|3<HTML><L-PDF> <Enhanced-PDF> <Meta-XML>Updated：2023-06-29
Abstract：植被聚集指数CI（Clumping Index）表征植被冠层叶片的聚集程度，是影响冠层内辐射传输的重要植被结构参数，对更好地理解冠层的辐射传输具有重要意义。数字半球摄影法DHP（Digital Hemispherical Photography）与有限长度平均方法的结合被广泛应用于地面CI估算，研究表明，有限长度平均法应用于DHP图像时所划分的采样单元大小与CI测量结果密切相关，即CI随图像采样尺度的变化会表现出有意义的变化，植被表观聚集指数ACI（Apparent Clumping Index ）故应运而生，ACI的提出有助于加深对植被聚集效应的理解，拓展植被CI的地面间接测量，同时也对CI星载遥感产品的验证提出了新的挑战。目前，应用有限长度平均法估算ACI时，DHP图像中划分的采样单元的大小对ACI估算的影响规律，及其随不同植被类型的变化规律有待进一步探索。针对上述问题，本研究基于DHP图像，分别以一系列逐级增大的角度采样尺度对观测天顶角和方位角进行划分，共得到30种采样方法、17级角度采样分辨率，并将其分别应用于林、灌、草和农作物四种地类，探究了ACI在不同植被类型下随17级角度采样分辨率变化而变化的规律；同时，探讨了ACI的角度采样尺度效应与植被在空间中的分布形态，以及农作物生长阶段之间的密切联系。结果表明，在四种地类下，随17级角度采样分辨率的降低ACI从约0.5变化至0.8，平均增幅分别达到26%、29%、14%和35%；在大豆作物的不同生长阶段，随17级角度采样分辨率由高到低的变化，ACI的增长存在一定差异，增幅最大可达60%。本研究针对CI地面测量的不一致性问题展开研究，揭示了ACI角度采样尺度效应的方向依赖性规律，总结了不同植被类型下角度采样尺度对ACI估算结果影响的统一性和差异性，有望为CI遥感产品验证的不确定性分析提供地面测量数据变化的精细分析支撑。Keywords：植被聚集指数（CI）;植被表观聚集指数（ACI）;数字半球摄影法（DHP）;角度采样尺度;尺度效应;方向性1260|2191|0<HTML><L-PDF> <Enhanced-PDF> <Meta-XML>Updated：2023-06-29
Satellite Calibration Instances and Groud-based Validation
